不同立地條件下坡面水土流失的差異性試驗研究*

楊春霞,姚文藝,肖培青,王玲玲,申震洲

(黃河水利科學研究院水利部黃河泥沙重點實驗室,鄭州450003)

人類活動對坡面水土流失的影響有正反兩個方面的作用,對地表植被破壞性的如開發建設活動、毀林開荒和超載過牧等對坡面具有破壞性的影響[1-4],而良好的農作物和植被覆蓋則對坡面水土流失有明顯的抑制作用[5-7]。根據對陜西省延安縣大砭溝營造的5～6 a生的刺槐、榆樹混交林的測定,其林地較自然荒坡減少徑流61.7%～79.6%,減少泥沙流失量83.1%～89.5%。20°的苜蓿坡地較 2°坡耕地減少徑流88.4%,減少泥沙流失量97.4%[8]。植被覆蓋和農作物覆蓋對水土保持有積極作用,但在植被建設初期和坡地耕作過程中遇降雨則可能產生嚴重的水土流失。本文結合人工降雨試驗的觀測和數據分析,發現了這一明顯現象。

本文所指的灌木是剛栽植2周的20°坡面小區,所指的草地指撒播生長2個月的紫花苜蓿草地,所指裸地指拍實的裸坡,農地指近地表30 cm較松的坡地。

1 試驗簡介

1.1 模擬系統

試驗各條件均由人工模擬組成,包括坡面、植被和降雨系統等。

坡面土槽采用鋼板焊制而成,模擬坡度為20°,坡面長×寬×深分別為3 m×5 m×0.8 m,用PVC板平均隔成3個小區,小區尺寸為1 m×5 m,鋼槽內分層填土,土料為鄭州邙山邊坡表層黃土,填土厚度大于0.6 m。鋼板底部鉆有滲水孔并鋪墊約2 cm厚粗顆粒大沙,以降低底部邊界條件的影響。

降雨系統采用中國科學院水利部水土保持研究所研制的便攜式側噴降雨器,試驗模擬坡面為裸坡、翻松的農地、苜蓿草地和新栽植的灌木林地,各坡面基本情況見表1。

表1 模擬坡面立地條件基本情況

1.2 觀測及數據處理方法

試驗前先灑水,消除坡面含水量差異,從坡面開始產流時計時,降雨歷時為60 min,試驗過程中每隔2 min接一次泥沙樣,通過比重法計算產沙量,具體換算方法見下式:

式中:W總——徑流泥沙樣總重(g);V總——徑流泥沙樣總體積(ml)——泥沙重(g)——泥沙體積(ml)。

試驗過程中記錄坡面侵蝕發育過程,并用數碼相機或錄像獲取試驗過程影像資料,試驗結束后分斷面兩側侵蝕形態并拍照。結合坡面侵蝕溝觀測數據和數碼照片,并運用CAD進行坡面侵蝕形態輔助分析。

2 結果與分析

2.1 立地條件對坡面水土流失的影響

在坡度一定(20°)、降雨強度和歷時一定(90 mm/h、歷時1 h)的情況下其坡面產沙總量、徑流量各地類坡面有明顯差異,見圖1和表2。從圖1和表2可知:

(1)在4種地類中,草地的產沙量徑流量最少,且隨著覆蓋度的增加,徑流量和產沙量明顯減少,這一現象說明草地的減水減沙作用高于裸地、農地和新栽植的灌木林地,且其減水減沙作用隨覆蓋度的增加而增強。

(2)灌木林地通過栽植小葉女貞進行模擬,栽植時存在窩根現象,灌幅基本沒有修剪,栽植2周后開始降雨試驗,由試驗觀測和數據分析可見,新栽植的灌木林地不但起不到控制水土流失的作用,反而加劇了水土流失,且覆蓋度大的坡面其水土流失越嚴重。結合觀測情況,坡面水土流失多始發于灌木根部,而高覆蓋坡面是通過密植實現的,在栽植過程中其坡面擾動更嚴重一些,同時灌幅的攔截作用,使降雨順灌木枝干形成集中的干流,導致對坡面相對松散的根部行成集中的沖刷,在根部尚未起到固土作用的情況下,極易造成水土流失和灌木倒伏。

(3)以 90 mm/h雨強為例,覆蓋度分別為20%、40%、60%、80%草地(C20,C40,C60,C80)的草地較裸地減少產沙量97.24%～99.63%、減少徑流量62.04%～80.46%。農地較裸地減少產沙量13.78%、減少徑流量7.99%;新栽植的灌木林地40%(灌木C40)的覆蓋度比 80%的覆蓋度(灌木C80)減水減沙效益要好,其中40%灌木比裸地減少產沙量5.34%、減少徑流量1.65%,80%的灌木地比裸地增加產沙14.33%、增加徑流6.49%。

圖1 不同立地條件下坡面產沙、徑流總量比較(雨強90 mm/h)

對于裸坡和農地,在雨強為90 mm/h時,裸地產沙量和徑流量均大于農地,結合雨強為45 mm/h、130 mm/h雨強下的試驗觀測結果,原因可能是雨強較小(包括90 mm/h的雨強時),農地較裸地降雨入滲性較好,從而導致徑流和產沙較少的原因,此不作為本論文重點。

表2 坡面徑流泥沙增減情況比較(雨強為90 mm/h)

2.2 立地條件對坡面侵蝕發展的影響

根據對試驗過程中坡面侵蝕過程監測,在模擬的4種立地條件下,農地坡面產生跌坎和細溝時間最早,且在試驗開始后的1 625 s達到全坡面貫通;裸地產生跌坎和細溝的時間第二,坡面侵蝕溝最長發育到4.5 m;第三為灌木林地,坡面侵蝕溝基本貫通,長達4.9 m,且侵蝕溝寬而深,坡面新栽植的小葉女貞灌木根部裸露,90%出現倒伏,這些不僅與其新栽植起不到水土保持作用有關,也與不科學的栽植行為有關,如栽植時出現窩根,新栽植時沒有剪枝等,導致降雨時因“頭重腳輕”而加劇坡面土壤侵蝕現象;坡面產生跌坎和細溝最晚的是草地,近試驗降雨中期才出現跌坎和細溝,且坡面沒有出現全斷面貫通的現象,僅在坡面下部斷面局部出現跌坎和較短的細溝,說明生長了2個月的紫花苜蓿草地的水土保持作用比較突出。

各立地條件下坡面侵蝕形態對比見表3和圖2。

表3 坡面侵蝕溝監測情況比較(雨強為90 mm/h)

圖2 不同立地條件下坡面侵蝕形態示意圖

(2)良好的植被對坡面水土流失有明顯的抑制作用,而在植被建設初期,遇降雨容易造成水土流失,如若栽植不科學的話,其加劇水土流失的副作用更明顯,因此無論是耕作活動或是植被建設,做好人為破壞初期的防護十分關鍵。

3 結論

(1)不同立地條件在90 mm/h雨強條件下,坡面徑流量和侵蝕產沙量存在明顯差異,正常情況下,草地的減水減沙作用最明顯,與裸地相比,減少產沙量97.24%～99.63%、減少徑流量62.04%～80.46%;剛栽植的灌木林地沒有水土保持作用,受栽植活動擾動影響,反而加劇了坡面水土流失,且覆蓋度較大者對坡面擾動越厲害,其水土流失表現越明顯。

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[8] 水土保持林草措施[OL].http://www.100zsk.com/citiao/sort0262/6553895159189.html.